[[alternative]]A study of ripple harmonics in the traction power systems

博士[[abstract]]諧波偵測係為交流系統藉由比流器與比壓器進行訊號轉換取得之訊號，有許多文獻研究交流系統之諧波且有許多成果。至於在直流系統中的漣波之諧波，除了對漣波振幅與它的反應時間外，很少有在這個領域上的研究或調查。本文提出一個新穎的研究技術和分析的方法，可以運用在各種操作的條件下進行調查與研究工作，這個研究提出一個新的諧波量測方式，以探測器偵測捷運系統上的軌道電磁場，截取直流牽引電力系統漣波之諧波資料及分析，此研究工作以台北高運量捷運系統牽引電力之直流鏈進行訊號與諧波之量測與分析，這個作法係利用電聯車運轉於軌道上，並分別以靜態與動態等不同條件下進行量測與分析工作。 本研究提出新式探測器在直流牽引電力系統上能精確地量測漣波與諧波數據並加以分析且能消除雜訊與電磁干擾。本文係由捷運軌道電磁場量測結果展示出新式探測器在系統上的可應用性與適應性。直流漣波之諧波訊號能被應用在軌道系統上的信號特性與系統整合訊號相容性分析，對於軌道系統上的設備與訊號相容具有相當的助益。對於捷運電聯車、號誌與供電系統之設計與營運後之維修調整能獲得有效地控制及充份地協調，以利供電系統與電聯車負載系統皆能精確控制且提高系統運轉的可靠度與舒適性。[[abstract]]The harmonic detection for the alternating current system is performed by the fixed current and voltage ratio transformers as well as transducers. There are many literatures about the harmonics of the AC systems with innumerable results. As to the ripple harmonics in the direct current system, there are few investigations on the ripple harmonic except the ripple amplitude with its corresponding response time. This work present a novel technique and analysis method that can be utilized under various operating conditions. This study presents a new measurement method with a search probe to detect the magnetic field on the rails of the mass rapid transit systems for predicting the harmonics of the ripple in the DC traction power systems. This work measures the signals and harmonics on the DC link of the traction power of the Taipei Mass Rapid Transit System under the static and dynamic status as a train running the rail road. This study proposes a novel device named the search probe that can precisely analyze the ripple harmonic in the DC traction power and eliminate the noise and electromagnetic interference on the measurement data. The field measurement results demonstrate the adaptability of the presented search probe. The harmonics in the DC ripple signals can be appied to analyze the characteristics and compatibility with the signals in the railway.[[tableofcontents]]目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 誌謝 III 目錄 IV 圖目 VIII 表目 XI 第一章 緒論 1.1研究背景 1 1.2文獻探討 2 1.3本論文之貢獻 4 1.4論文內容概述 5 第二章 捷運直流供電系統 2.1前言 8 2.2捷運供電系統架構 8 2.3直流牽引電力系統 10 2.3.1直流牽引供電設計準則 12 2.3.2牽引電力變電站 13 2.3.3牽引電力變壓器 16 2.3.4單一組6脈衝波換流器 20 2.3.5直流24脈衝波整流器 22 2.3.6相間變壓器 26 2.4牽引電力之諧波 28 2.5負迴流軌道共構 31 2.6本章結論 34 第三章 電聯車推進系統 3.1前言 35 3.2電聯車電力系統架構 35 3.3電聯車推進系統設計準則 37 3.4電聯車主要參數 37 3.5推進系統原理 39 3.6電聯車馬達 44 3.7變頻器設計理論 44 3.8段式推進系統控制 48 3.9直流鏈 50 3.10推進系統之諧波 51 3.11本章結論 55 第四章 直流牽引電力漣波之諧波探討 4.1前言 56 4.2諧波定義 57 4.3牽引電力漣波與諧波 57 4.3.1典型漣波模擬 60 4.4直流牽引電力漣波之諧波計算 63 4.4.1牽引電力諧波之計算 63 4.4.2直流牽引電力漣波與諧波計算 66 4.4.2.1六脈衝波整流諧波分析 66 4.4.2.2十二脈衝波整諧波分析 68 4.4.2.3二十四脈衝波整流理論模擬 69 4.4.3電聯車變頻器模擬結果 71 4.5直流牽引電力系統漣波之諧波模擬 74 4.6本章結論 80 第五章 漣波之諧波量測探測器之研製與實驗 5.1前言 81 5.2諧波量測探測器設計與研製 81 5.3諧波探測器實驗 85 5.4本章節結論 91 第六章 直流牽引電力漣波之諧波量測與分析 6.1前言 92 6.2直流漣波之諧波量測探測器 93 6.3量測方法 94 6.4實際漣波之諧波量測 95 6.4.1量測前校正 96 6.4.2直流牽引電力靜態漣波之諧波量測 98 6.4.2.1電聯車靜止狀態下漣波之諧波量測值 99 6.4.2.2直流牽引電力漣波之諧波靜態頻譜分析 106 6.4.3電聯車動態運轉下直流漣波之諧波量測 107 6.4.3.1列車速度0~40km/hr間之直流漣波之諧波分佈 108 6.4.3.2列車速度40~80km/hr間之直流漣波之諧波分佈 113 6.5直流牽引電力漣波之諧波綜合分析 115 6.6本章結論 122 第七章 結論與未來研究 7.1結論 123 7.2未來研究 124 參考文獻 127 作者簡歷 133 圖 目 圖2.1 捷運供電系統架構圖 9 圖2.2 牽引電力供電系統圖 11 圖2.3 牽引電力變電站供電系統圖 15 圖2.4 直流供電系統與電聯車負載圖 15 圖2.5 整流變壓器Δ-Δ-Y接線相位角圖 17 圖2.6 單一組6脈衝波整流器電路圖 20 圖2.7 板南線6相整流以每一脈衝波使用4個並聯二極體電路圖 21 圖2.8 換流器12脈衝波使用2個6相並聯二極體電路圖 22 圖2.9 板南線12脈衝波以每一脈衝波使用4個並聯二極體電路圖 24 圖2.10 板南線24脈衝波以每一脈衝波使用4個並聯二極體電路圖 25 圖2.11 相間變壓器接線簡圖 27 圖2.12 相間變壓器電路接線圖 27 圖2.13 現階段台北捷運牽引電力諧波量測位置點 31 圖2.14 捷運機電系統軌道共同配置基本架構圖 32 圖3.1 電聯車六車聯結編組排列 35 圖3.2 電聯車上電力系統架構圖 36 圖3.3 電聯車推進系統架構圖 40 圖3.4 電聯車推進系統與推進馬達電路圖 41 圖3.5 電聯車推進系統換流器閘流控制順序編號圖 41 圖3.6 換流器整流模式之直流電壓與交流側電流波形 42 圖3.7 電聯車變頻器架構 45 圖3.8 推進系統的三段式控制波形、頻率與速度之關係 49 圖3.9 DC Link簡要基本架構圖 51 圖3.10 推進系統三相六脈衝波變頻器 52 圖3.11 電聯車變頻器產生各階次諧波 54 圖4.1 12脈衝波二極體整流輸出波形模擬 61 圖4.2 整流器直流側12脈衝波之漣波輸出波形模擬 61 圖4.3 24脈衝波二極體整流輸出波形模擬 62 圖4.4 整流器直流側24脈衝波之漣波輸出波形模擬 62 圖4.5 捷運牽引電力單相電流基本波示意圖 65 圖4.6 直流漣波之諧波輸出IRec大小之頻率角度模擬振幅譜 66 圖4.7 整流變壓器Δ-Δ接線6脈衝波整流圖 67 圖4.8 6脈衝波數諧波(第1-30階數) 67 圖4.9 整流變壓器Δ-Δ-Y接線12脈衝波整流圖 68 圖4.10 12脈衝波級數諧波(第1-30階數) 69 圖4.11 整流變壓器Δ-Δ-Y接線24脈衝波整流圖 70 圖4.12 24脈衝波級數諧波階次模擬(第1-30階數) 71 圖4.13 變頻器輸出電壓與電流迴流圖 72 圖4.14 PWM電壓波形模擬 73 圖4.15 六階電壓波形模擬 73 圖4.16 ΔiInv(t)電流波形模擬 74 圖4.17 DC Link模擬電路圖 75 圖4.18 直流牽引電力漣波之諧波分佈 77 圖5.1 漣波之諧波量測探測器設計圖 82 圖5.2 漣波之諧波量測探測器實體 83 圖5.3 漣波之諧波量測探測器實驗 84 圖5.4 探測器模擬諧波量測實驗現場圖 85 圖5.5 型式1探測器量測0~500Hz諧波頻譜圖 88 圖5.6 型式2探測器量測0~500Hz諧波頻譜圖 88 圖5.7 型式3探測器量測0~500Hz諧波頻譜圖 88 圖5.8 3種不同型式探測器量測60Hz波形比較圖 89 圖5.9 3種不同型式探測器量測60Hz波形比較照片 89 圖5.10 型式1探測器量測60Hz基本波之諧波0-500Hz頻譜照片 90 圖6.1 捷運直流牽引電力漣波之諧波量測探測器 93 圖6.2 直流牽引電力漣波之諧波量測方法 94 圖6.3 直流牽引電力漣波之諧波量測位置示意圖 96 圖6.4 直流牽引電力漣波之諧波探測器量測位置圖 96 圖6.5 量測用探測器現場量測前校正之一 97 圖6.6 量測儀器與探測器現場量測前校正之二 97 圖6.7 電聯車停止情況下牽引電力漣波之諧波第1~18次諧波 104 圖6.8 電聯車停止情況下牽引電力漣波之諧波第19~36次諧波 104 圖6.9 電聯車停止情況下牽引電力漣波之諧波第37~54次諧波 105 圖6.10 電聯車停止情況下牽引電力漣波之諧波第55~72次諧波 105 圖6.11 靜態情況下牽引電力漣波之諧波以360Hz倍頻展現之分佈 106 圖6.12 電聯車0~40km/hr動態運轉下-60dB以上第1~49次諧波分佈 112 圖6.13 電聯車40km/hr動態運轉下-60dB以上第54~198次諧波分佈 112 圖6.14 電聯車72km/hr動態運轉下-60dB以上第1~108次諧波分佈 115 圖6.15 靜態量測與模擬諧波第1~18階次諧波比較圖 116 圖6.16 靜態量測與模擬諧波第1~18階次諧波比較曲線圖 117 圖6.17 列車三種狀態下360Hz倍頻漣波之諧波變動比較圖 120 圖6.18 列車三種狀態下360Hz倍頻漣波之諧波變動比較立體圖 120 圖6.19 列車三種狀態下360Hz倍頻漣波之諧波曲折線變動比較圖 121 表 目 表2.1 整流變壓器三相變六相之相位移線圈接線與相位角圖 18 表2.2 台北高運量捷運牽引電力整流變壓器瑞士TRASFOR銘牌 19 表2.3 台電各次諧波標準規定 30 表3.1 列車主要性能與參數 38 表3.2 列車基本性能與參數 39 表3.3 推進系統換流器開關切換操作表 43 表3.4 台北高運量捷運兩種電聯車馬達規格 44 表3.5 推進系統換流器存在之各次諧波值 53 表4.1 換流器半波整流電路相位參數表 58 表4.2 換流器全波整流電路相位參數表 59 表4.3 DC Link模擬電路零件參數 76 表4.4 模擬DC-Link漣波之諧波第1~39階次 78 表4.5 模擬DC-Link漣波之諧波第40~78階次 79 表5.1 三種直流漣波之諧波探測模擬量測值 86 表6.1 量測儀器與探測器頻率校正參數之一 98 表6.2 量測儀器與探測器頻率校正參數之二 98 表6.3 第1~18次漣波之諧波對應頻率60~1080Hz 100 表6.4 第19~36次漣波之諧波對應頻率1140~2160Hz 101 表6.5 第37~54次漣波之諧波對應頻率2220~3240Hz 102 表6.6 第55~72次漣波之諧波對應頻率3300~4320Hz 103 表6.7 階數偶數諧波之360Hz倍頻 107 表6.8 列車動態40km/hr漣波之諧波頻率對應近似第1~49次諧波 110 表6.9 列車動態40km/hr漣波之諧波頻率對應近似第54~198次諧波 111 表6.10 列車72km/hr運轉下漣波之諧波頻率對應第1~108次諧波 114 表6.11 列車三種狀態下360Hz倍頻漣波之諧波分佈比較表 119[[note]]學號: 892350025, 學年度: 9